丘陵地區(qū)竹根清理機(jī)的研制

陳行，李儉，劉曉文

（成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610106）

我國(guó)是竹產(chǎn)業(yè)大國(guó)，竹子產(chǎn)量居世界首位。我國(guó)竹子總類有50多屬500多種[1]，竹林面積約420萬(wàn)公頃，年產(chǎn)量1800多萬(wàn)噸。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)得天獨(dú)厚的竹子資源越來越受到人們的重視[2]。竹子砍伐后殘留的竹根，在自然的條件下要10年左右才能夠腐爛，不僅占用土地資源，而且在一定的程度上會(huì)抑制小竹子的生長(zhǎng)，影響整個(gè)竹林的新陳代謝[3]。丘陵地區(qū)由于交通的不便，中大型竹根清理機(jī)無法在丘陵地區(qū)開展作業(yè)，因此研究一款適用于丘陵地區(qū)的竹根清理機(jī)是必要的。

1982年，浙江省林科研究所室的余邦模等人，研制了一款雙人操作的便捷式挖挖根機(jī)； 1984年，浙江省林科所的余邦模等人，為滿足竹林產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的需求，及時(shí)的將伐后竹根的清理，在其原來機(jī)械的基礎(chǔ)上，重新改造設(shè)計(jì)了一種采用雙手扶持作業(yè)的震動(dòng)挖切竹根清理機(jī)；2011年，中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院的碩士研究生劉婧婧設(shè)計(jì)了一種竹篼起撥機(jī)；2015年3月，衢州樂創(chuàng)節(jié)能公司的吳超，發(fā)明了一款手持式竹根挖掘機(jī)[4]。竹子更多的生存在維度較低的地方，主要分布在東南亞地區(qū)，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)竹清理機(jī)的研究較少[5]。

根據(jù)丘陵地區(qū)竹子生長(zhǎng)的環(huán)境，設(shè)計(jì)了丘陵地區(qū)竹根清理機(jī)，詳細(xì)闡述了各關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

針對(duì)丘陵地區(qū)竹根生長(zhǎng)的特點(diǎn)和清理技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了一種基于背負(fù)式動(dòng)力的丘陵地區(qū)竹根清理機(jī)，主要由磨削刀具、導(dǎo)泥板、直筒、手扶架、變速箱、軟軸、油箱、背負(fù)架、背板、汽油機(jī)等組成。油箱和汽油機(jī)放置在背負(fù)架上，汽油機(jī)通過軟軸與變速箱動(dòng)力輸入端聯(lián)接，變速箱輸出端與直筒聯(lián)接，導(dǎo)泥板焊接在直筒上。該機(jī)利用軟軸聯(lián)接特點(diǎn)，最大程度的分散整機(jī)質(zhì)量，使操作者可方便的在丘陵地區(qū)移動(dòng)作業(yè)，竹根清理機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1、磨削刀具，2、導(dǎo)泥板，3、直筒，4、手扶架，5、變速箱，6、軟軸，7、油箱，8、背負(fù)架，9、背板，10、汽油機(jī)。

1.2 工作原理

工作時(shí)，油箱通過輸油管為汽油機(jī)提供燃料，汽油機(jī)聯(lián)接軟軸將動(dòng)力輸送到變速箱，動(dòng)力經(jīng)減速箱減速增距后，傳遞到圓筒，帶動(dòng)圓筒轉(zhuǎn)動(dòng)并進(jìn)行竹根清理工作。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 減速箱的設(shè)計(jì)

蝸輪蝸桿最大的特點(diǎn)是機(jī)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比大，選用蝸輪蝸桿這種簡(jiǎn)潔的減速機(jī)構(gòu)，更加易于實(shí)現(xiàn)工作的目標(biāo)，很大程度上減輕竹根清理機(jī)的重量，方便操作人員機(jī)械設(shè)備的轉(zhuǎn)移。其結(jié)構(gòu)如圖2所示，在對(duì)蝸輪蝸桿進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，保證各方面強(qiáng)度、剛度的同時(shí)，應(yīng)以輕量化原則設(shè)計(jì)蝸輪蝸桿[6]。設(shè)計(jì)要求蝸輪蝸桿的工作時(shí)長(zhǎng)為16000h，確定蝸輪蝸桿參數(shù)如下：

（1）蝸桿

分度圓直徑d1：d1=35.5mm；頭數(shù)m=3；

軸向齒距為pa:pa=mπ=12.56mm；

齒頂圓直徑da1：已知ha1=m；da1=d1+2ha1=37.5mm；

齒根圓直徑df1：已知hf1=1.2m；df1=d1-2hf1=28.3mm；

蝸桿有效長(zhǎng)度B1：當(dāng)蝸桿的齒頭數(shù)為3，變?yōu)橄禂?shù)為-0.5時(shí)，

B1≥（9.5+0.09×3）×3.15=30.7755mm，此處取35mm。

（2）蝸輪

蝸輪齒數(shù)36；變位系數(shù)x=-0.5

蝸輪分度圓直徑d2：d2=mz2=3.15×36=113.4mm

1、變速箱箱體，2、蝸桿，3、軸承一，4、蝸輪，5、軸承二，6、輸入軸，7、軸瓦二，8、軸瓦二。

2.2 圓筒的設(shè)計(jì)

圓筒的尺寸的設(shè)計(jì)需根據(jù)丘陵地區(qū)竹根深度及外形尺寸來設(shè)計(jì)。研究時(shí)，選擇了200株5年生的毛竹進(jìn)行根徑研究測(cè)量，得出毛竹直徑集中在50～130mm，綜合各方面因素，確定圓筒的直徑為110mm。調(diào)查結(jié)果顯示，竹根在土壤中的長(zhǎng)度主要在0～300m的范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)時(shí)，將圓筒的高度定為350mm，厚度為4mm。執(zhí)行機(jī)構(gòu)向下挖掘的過程中，需將泥土及時(shí)的排出，需將圓筒內(nèi)壁開槽口。因此以圓筒的中心軸為基準(zhǔn)，開四個(gè)相同的槽口，結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

2.3 磨削刀具的設(shè)計(jì)

竹根清理機(jī)在對(duì)竹根進(jìn)行清理時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要切斷在土壤中的竹鞭，才能進(jìn)行更深一步的挖掘，若以圓筒直接挖掘竹根，竹根很難被切斷，故需在圓筒底部設(shè)計(jì)竹根切割刀具，其具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖中，d1為刀具鋸齒的寬度20mm，d2為鋸齒長(zhǎng)度15mm。為防止刀具卡死并減小土壤及竹鞭的阻力，將鋸齒形狀定位弧形，其半徑R1為21mm。

2.4 導(dǎo)泥片的設(shè)計(jì)

竹根清理機(jī)工作時(shí)，導(dǎo)泥片需及時(shí)將打碎的泥土清理至地面。資料顯示導(dǎo)泥板的寬度范圍為15～25mm較為合適，設(shè)計(jì)導(dǎo)泥板的寬度為20mm。同時(shí)，為增加圓筒向下的掘進(jìn)力，應(yīng)使導(dǎo)泥片刀頭與地面成一定的夾角γ。依據(jù)導(dǎo)泥片排土的臨界條件，可計(jì)算出螺旋角α和夾角γ的取值范圍，最終取α=150，γ=300。同時(shí)，為保證竹根清理機(jī)工作的穩(wěn)定性和清理效率，將導(dǎo)泥片設(shè)計(jì)為對(duì)稱的雙螺旋結(jié)構(gòu)，其示意圖如圖5所示。

3 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了基于背負(fù)式動(dòng)力的竹根清理機(jī)，對(duì)機(jī)械各機(jī)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算設(shè)計(jì)，確定了結(jié)構(gòu)與參數(shù)。有效解決了丘陵地區(qū)因交通不便，竹根清理機(jī)械轉(zhuǎn)移作業(yè)難問題。